白鹤滩泄洪洞进水塔流道钢衬及支撑体系有限元分析

陈 敏，康建荣，罗 刚

(中国水利水电第五工程局有限公司，成都，610066)

白鹤滩泄洪洞进水塔流道钢衬及支撑体系有限元分析

陈 敏，康建荣，罗 刚

(中国水利水电第五工程局有限公司，成都，610066)

金沙江白鹤滩水电站泄洪洞进水口采用钢筋混凝土岸塔式进水塔，进水塔前端设事故检修闸门，后端设工作弧形门；两闸门之间为有压段，设计流速为25m/s～29m/s，为保证高流速运行条件下流道结构不被破坏，在有压段底板、顶部、两侧布置了不锈钢复合钢板进行防护。钢衬布置跨度为15m,为了确保钢衬在安装浇筑过程中不发生变形、移位，需在钢衬内外侧增加支撑措施。本工程采用ANSYS通用有限元计算软件对钢衬支撑体系和钢衬本身进行了建模分析，通过模型计算验证各种浇筑工况情况下钢衬和支撑体系内力情况和变形情况，以保证施工质量和安全。

金沙江 白鹤滩水电站 钢衬 支撑体系 有限元 变形分析

1 概述

1.1 工程概况

白鹤滩水电站泄洪洞进水塔位于大坝左岸，共设有三条泄洪洞。三条泄洪洞布置相同，在每个泄洪洞进口分别设置一道事故闸门门槽和一扇事故闸门，闸门的操作采用单向门机借助液压自动抓梁进行。每条泄洪洞进口设置1扇工作闸门，闸门选用液压启闭机操作。泄洪洞进水塔检修门槽、工作门槽及二者之间的流道周边设钢板衬护，由顶衬、侧衬和底衬组成，每孔顶衬上各设置两条通气孔。钢衬为不锈钢复合钢板，壁厚24mm，复层(过流面层)为(α+γ)双相不锈钢022Cr23Ni5Mo3N(S22053)钢板，厚度4mm，基层为Q345C，厚度为20mm。钢衬外布置肋板，肋板断面为矩形，间距0.5m×1.0m，肋板、吊耳、内支撑和埋件等采用Q345C。单个进水口的钢衬长度约20m，共分10节进行布置，单节顺水流方向长度为1.8m,跨度为15m,最大高度12m，顶衬坡度为1∶5。

1.2 钢衬加固体系简介

泄洪洞进水塔流道边墩钢衬外部采用L80×5mm的等边角钢进行外拉，沿水流方向按照1.8m的间距布置，高度方向等间距布置8道；钢衬内部采用φ48扣件式脚手架搭设满堂支撑架，满堂架立杆沿水流方向间距80cm,垂直于水流方向间距60cm,横杆步距80cm,整个满堂架设置水平向、纵横向剪刀撑进行加固。为了满足斜坡高度变化的需要，每根立杆顶部设置可调顶托进行调节，同时顶托上部布置1∶5坡度的楔形木方，以保证支撑体系与钢衬的有效接触传力。

图1 进水塔流道钢衬及支撑体系布置简图

1.3 分析目的

本次计算以钢衬第一管节为例，采用ANSYS通用有限元计算软件，模拟混凝土浇筑过程，通过三维静力分析，达到验证选型的支撑方案是否合理安全，并通过计算优化支撑体系的设计方案。了解不同浇筑工况下钢衬变形情况，在满足变形条件的情况下尽量减少浇筑工序、节约施工成本。

2 基本计算资料

2.1 计算模型

取钢衬第一管节作为计算段，建立钢衬及其内外支撑系统三维有限元计算模型。计算模型中钢衬采用Solid45实体单元模拟，内外支撑采用Beam188梁单元模拟。模型单元总数为33399，节点总数为62222，巨大的计算规模可以有效地保证结构分析模型的计算精度。钢衬内支撑布置及有限元计算模型网格划分见图2、图3。

图2 钢衬内支撑布置

图3 钢衬内支撑三维有限元计算模型

2.2 材料参数

材料的主要物理力学参数标准值见表1。

表1 各区材料主要物理力学参数的计算取值

编号材料名密度(kg/m3)弹性模量(GPa)泊松比1C9030混凝土2400280.1672钢衬Q345C78502060.253内部支撑架管A48(外径)厚3mm78502060.254外部支撑等边角钢80×5mm78502060.25

2.3 计算荷载

根据设计要求，考虑的计算荷载如下：

2.3.1 钢衬结构自重

钢衬的自重按公式(1)计算

Gγ=γm×Vγ

(1)

式中，Gγ为计算块计算单元的自重(kN)；γm为计算块钢衬重度(kN/m3)；Vγ为计算块计算单元的相应体积(m3)。

自重荷载作用分项系数为1.0。

2.3.2 混凝土浇筑压力

不同工况按混凝土的浇筑过程计算浇筑压力，浇筑压力作用分项系数为1.0。计算中考虑的混凝土浇筑压力包括：①高程770m～773m(层高3m)间混凝土施加在侧衬上的压力；②高程773m～776m(层高3m)间混凝土施加在侧衬上的压力；③上部浇筑2m层高混凝土施加在顶衬上的压力。

浇筑压力计算公式为：

Pwq=γw×H

(2)

式(2)中，Pwγ为混凝土浇筑压力(kN/m2)；γw=24kN/m3，为混凝土的重度；H为作用高度(m)。

计算中，混凝土浇筑压力全部按照分布面力施加在相应的作用面的节点上。经计算混凝土对侧衬的压力取值为72kN/m2，顶部混凝土对顶衬的荷载为48kN/m2。

2.4 边界条件

钢衬底部已浇筑混凝土且达到一定强度，采用3向(X、Y、Z)全约束；两侧面约束根据计算工况施加约束或荷载。钢衬假定为各向同性、均匀连续的弹性体，浇筑压力只作用在相关面上。

2.5 计算工况

在有限元静力计算中，主要考虑以下工况，见(表2)，荷载组合见表3。

表2 工况表

序号工 况1一侧浇筑3m高混凝土,另一侧未浇筑2一侧浇筑6m高混凝土,另一侧浇筑3m高混凝土3混凝土已浇筑至钢衬顶部2m高

表3 荷载及约束组合

工况荷 载约 束1自重+单侧3m高混凝土侧压力(高程770m～773m)底衬三向约束2自重+两侧3m高混凝土侧压力(高程770m～773m)+单侧3m高混凝土侧压力(高程773m～776m)底衬三向约束3自重+两侧3m高混凝土侧压力(高程779m～782m)+顶部2m高混凝土压力底衬三向约束+779m以下两侧三向约束

2.6 坐标系约定

为了便于建模和成果整理，计算中采用整体直角坐标系，约定如下：

顺河向从上游到下游为坐标轴X正向；垂直向上为坐标轴Y正向，Y坐标值与结构布置高程一致；利用右手坐标系的规定，坐标轴Z的正向为水平从枢纽左岸向右岸为正。

3 位移成果与分析

为了便于成果分析比较，约定：位移值“+”号表示该结构部位的位移与相应的坐标轴正向一致，“-”号表示与各坐标轴负向一致。如果没有特别说明，计算结果均为在整体直角坐标系下的位移值。各计算工况下，钢衬及其内外支撑位移特征值见表4；典型工况(以工况3为例)位移云图见图4～图7。

表4 各工况钢衬及其内外支撑位移特征值表 单位：mm

图4 工况3钢衬及其内外支撑顺河向位移云图(单位：m)

图5 工况3钢衬及其内外支撑铅直向位移云图(单位：m)

图6 工况3钢衬及其内外支撑横河向位移云图(单位：m)

图7 工况3钢衬及其内外支撑合位移云图(单位：m)

分析结果可知，浇筑工况1、2位移均满足设计要求(单个方向变形小于2mm，最大变形小于3mm)，即保证两侧浇筑层高差在3m范围内(两侧交替浇筑)，钢衬变形即可满足要求。工况3竖向沉降为1.8mm，向上游位移有3.25mm，考虑到整个钢衬相对于单个管节钢衬抵抗荷载引起的水平向变形效果要好，可认为实际浇筑过程中水平向上游位移应远小于3.25mm，满足变形要求的。

4 应力成果与分析

各工况下，钢衬等效应力峰值及最大切应力峰值见表5，钢衬典型工况(以工况2、3为例)的等效应力分布云图见图8、图9；内、外支撑轴力峰值见表6，典型工况轴力分布云图见图10。

表5 各工况钢衬应力峰值 单位：MPa

图8 工况2钢衬等效应力分布云图(单位：Pa)

图9 工况3钢衬等效应力分布云图(单位：Pa)

表6 各工况内外支撑轴力峰值 单位：N

注：表中“+”表示支撑系统杆件受拉；表中“-”表示支撑系统杆件受压。

图10 现有方案工况3内支撑轴力分布云图(单位：N)

表7 钢衬强度设计值 单位：MPa

外支撑角钢承载力：F=Af=791.2×215N=170108N

由计算结果可知，钢衬等效应力和最大切应力均能满足设计要求。内外支撑系统受力也未超过承载力允许值。

5 结论

(1)由计算结果可知，钢衬两侧混凝土浇筑施工时，钢衬变形均能达到要求，钢衬顶部混凝土浇筑施工时，钢衬变形有所超标(大于3mm)，但主要为向上游的变形，由于本次仅针对单节钢衬进行建模分析，实际浇筑时10节钢衬整体安装焊接完成，对于抵消顺水流方向的变形是有利的，同时将满堂排架搭设范围向钢衬布置范围外延伸50cm,进一步的约束钢衬上下游方向的变形；

(2)各计算工况中钢衬及支撑系统的应力均能满足要求，且留有余地，考虑到施工过程中人员设备的影响及目前的支撑排架有不同程度的锈蚀和损伤，可以认为按计算的支撑方案进行施工是合理的，也是经济的；

(3)根据原设计要求进水塔左右边墩需同时浇筑，同高程上升，这就必须布置2套浇筑入仓设备，根据分析当采用上述加固措施后，分左右边墩不大于3m的高差下进行浇筑，钢衬的变形是可控的，这就大大减少了施工资源的投入，从而节约施工成本；

(4)计算采用的边界条件为底衬和侧部三向约束，只有在底部和侧部混凝土达到有效的强度才能满足此边界条件，因此，施工过程中必须严格控制浇筑间歇时间，使其强度达到约束条件。

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TV651.3∶TV314

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2095-1809(2017)02-0003-04